降低電容式觸控感應應用功耗的一些最佳方案包括：

　　♦ 利用最佳電路板布局方式優(yōu)化傳感器寄生電容(CP)
　　♦ 使用睡眠模式并優(yōu)化傳感器報告率
　　♦ 根據手指觸控事件改變報告率
　　♦ 使用優(yōu)先級規則將控制器從睡眠模式中喚醒

　　利用最佳電路板布局方式優(yōu)化傳感器寄生電容(CP)

　　電容式觸控傳感器一般由銅質(zhì)墊片、電容式感應控制器輸入引腳以及線(xiàn)跡構成。圖1顯示了典型電容式傳感器的結構，并標有電場(chǎng)耦合線(xiàn)�！　� 

　　當手指接觸到傳感器導體片的覆蓋層時(shí)，就會(huì )形成一個(gè)簡(jiǎn)單的平行板形電容器，稱(chēng)為手指電容(CF)。即使手指沒(méi)有接觸覆蓋層，電容感應控制器也會(huì )測量到一些寄生電容(CP)。CP為傳感器上的總分布電容，其中包括傳感器導體片電容，這是由于傳感器導體片與電路地電位(circuit ground)、連接電容式感應控制器輸入引腳和傳感器導體片的線(xiàn)跡、過(guò)孔、電容式感應控制器輸入引腳這四部分比較接近而產(chǎn)生的。

　　電容式感應控制器利用模數轉換器(ADC)將輸入引腳處測得的電容轉換為計數值。該控制器使用DSP算法持續監控計數值，以識別因手指觸摸而引起的傳感器電容增加情況。

　　為了精確檢測手指觸摸，必須對模數轉換器的分辨率進(jìn)行調節以保持一定的靈敏度。如果CP很高，那么模數轉換器的分辨率就要相應增加。增加的分辨率會(huì )導致轉換時(shí)間延長(cháng)，從而增大電容感應應用的平均功耗。為了降低功耗，需要降低傳感器的CP以便可以使用更低分辨率的模數轉換器以及睡眠模式。

　　CP的主要組成部分是線(xiàn)跡電容和傳感器電容。CP與傳感器導體片和地電位間的環(huán)狀間隙、線(xiàn)跡與地電位的距離、線(xiàn)跡長(cháng)度與寬度以及傳感器導體片直徑成非線(xiàn)性函數關(guān)系。CP 與PCB(印刷電路板)布局特性之間并不存在簡(jiǎn)單的對應關(guān)系，但是一般來(lái)說(shuō)，增加環(huán)狀間隙和減少線(xiàn)跡長(cháng)度與寬度都會(huì )降低CP。 遺憾的是，加寬傳感器導體片與地電位之間的間隙會(huì )降低抗干擾性能。要想獲得最佳的CP 和抗干擾性能，需要遵循電容式感應控制器制造商的最佳PCB布局方案。

　　使用睡眠模式和優(yōu)化傳感器報告率

　　報告率和睡眠模式共同決定了對電容式觸控傳感器進(jìn)行的采樣方式(如圖2所示)。報告率明確規定了模數轉換器對傳感器進(jìn)行采樣的頻率。當對傳感器進(jìn)行采樣時(shí)，電容式感應控制器處于活動(dòng)模式。而當控制器未對傳感器進(jìn)行采樣時(shí)，就會(huì )進(jìn)入睡眠模式�？刂破髟谒�眠模式下會(huì )斷開(kāi)所有內部模塊和外部設備的電源。市場(chǎng)上的大多數電容式感應控制器都支持這種模式�！　� 

　　選擇較低的報告率和更長(cháng)的睡眠時(shí)間是降低平均功耗的關(guān)鍵。報告率和睡眠模式直接影響電容式感應控制器的平均電流消耗，如方程式1所示�！�

       其中：

　　I活動(dòng) = 控制器對傳感器進(jìn)行采樣時(shí)所消耗的電流

　　T活動(dòng) = 控制器對所有傳感器采樣所需的時(shí)間

　　I睡眠= 控制器處于睡眠模式時(shí)所消耗的電流

　　T睡眠= 控制器處于睡眠模式所持續的時(shí)間

　　一般來(lái)說(shuō)，人的手指觸摸按鈕的時(shí)間不可能短于150ms。典型的模數轉換時(shí)間介于200至6000us。 這意味著(zhù)在傳感器被觸摸的150ms時(shí)間內可以進(jìn)行數次模數轉換。應根據您的具體模數轉換時(shí)間來(lái)優(yōu)化報告率。

　　降低CP有助于縮短活動(dòng)時(shí)間(T活動(dòng))，因為控制器可以使用較低的模數轉換器分辨率。選用具有較低工作電流的電容式感應控制器可以降低I活動(dòng)。記住，睡眠模式電流對平均電流的影響最小。

　　根據手指觸控事件改變報告率

　　在選擇報告率時(shí)應考慮用戶(hù)與設備的互動(dòng)方式。消費類(lèi)電子產(chǎn)品可能每次開(kāi)機后數小時(shí)內手指都不會(huì )觸摸用戶(hù)界面。例如，音響系統或電視遙控器上的按鈕只有在一些像調節音量或更換頻道等情況下，才偶爾會(huì )使用到。但是，一旦按下某個(gè)按鈕，用戶(hù)就有可能需要觸摸多個(gè)按鈕來(lái)達到預期的效果。

　　根據這個(gè)實(shí)例，可降低對傳感器的采樣頻率(低報告率模式)，直到檢測到有按鈕被觸摸，這時(shí)再調高報告率(高報告率模式)以便對后續觸摸進(jìn)行快速響應(如圖3所示)。如果在一段時(shí)間內未檢測到手指觸摸，電容式感應控制器就可以恢復到低報告率模式�？梢愿鶕�觸控事件，使用可編程電容式感應控制器來(lái)動(dòng)態(tài)改變報告率�！　� 

　　為了進(jìn)一步降低功耗，可在控制器處于低報告率模式下時(shí)將用戶(hù)界面的背光燈關(guān)閉。一旦檢測到有觸摸， 在控制器進(jìn)入高報告率模式時(shí)會(huì )再次打開(kāi)背光燈。

　　利用優(yōu)先規則將控制器從睡眠模式中喚醒

　　在有些應用中，所有按鈕都不能將電容式感應控制器從睡眠模式中喚醒。

　　例如，當電視機關(guān)閉后，控制器只需檢測電源按鈕上的手指觸控以便打開(kāi)電視。在這個(gè)應用中，當關(guān)閉電源時(shí)，控制器只需對電源按鈕進(jìn)行采樣，而無(wú)需對電視機前面板上的任何其它按鈕進(jìn)行采樣。這樣可以縮短T活動(dòng)，并顯著(zhù)降低平均功耗。

　　讓我們來(lái)了解一下典型的電視機前面板情況：

　　♦ 八個(gè)電容式觸控感應按鈕
　　♦ 采樣時(shí)間 = 500uS/按鈕
　　♦ I活動(dòng) = 4mA
　　♦ T活動(dòng) = 10ms
　　♦ I睡眠 = 1uA
　　♦ T睡眠 = 90ms.

　　根據方程式1，當對所有按鈕采樣時(shí)：

　　I平均 = 160uA

　　當只有對電源按鈕采樣時(shí)：

　　I平均 = 20uA

　　在本文的第二部分，我將探討優(yōu)化電容式觸控感應設計平均功耗的其他方法，例如：

　　♦ 使用聯(lián)動(dòng)電容式傳感器法將控制器從睡眠模式中喚醒
　　♦ 使用接近傳感器將控制器從睡眠模式中喚醒
　　♦ 使用外部穩壓器關(guān)閉電源
　　♦ 選用針對電容式感應控制器的低功耗選項

 

       采用電容式感應技術(shù)的用戶(hù)界面已被廣泛接受，常用于代替原有的機械開(kāi)關(guān)和按鈕。此外，也被用于電池供電的手持和便攜式電子設備中。便攜式和手持電子設備要求較長(cháng)的電池使用壽命且必須持續注重綠色環(huán)保技術(shù)，電容式用戶(hù)界面向這些領(lǐng)域進(jìn)軍進(jìn)一步突顯低功耗應用的重要性。

　　本系列文章將介紹有助于構建低功耗電容式用戶(hù)界面面板的多種技巧與方法。本文的第一部分，即《優(yōu)化電容式觸控應用的平均功耗：第1部分》探討了以下4種方法：

　　1. 利用最佳電路板布局方式優(yōu)化傳感器寄生電容(CP)

　　2. 使用睡眠模式并優(yōu)化電容式感應控制器的報告率

　　3. 根據手指觸控事件優(yōu)化報告率

　　4. 使用優(yōu)先級規則將電容式控制器從睡眠模式中喚醒

　　本部分將重點(diǎn)介紹下面三種功耗優(yōu)化技術(shù)：

　　5. 使用聯(lián)動(dòng)電容式傳感器模型將電容式控制器從待機模式中喚醒

　　6. 使用接近傳感器將電容式控制器從待機模式中喚醒

　　7. 使用外部穩壓器關(guān)閉用戶(hù)界面單元的電源

　　5. 使用聯(lián)動(dòng)電容式傳感器模型將電容式控制器從待機模式中喚醒

　　只有在使用一個(gè)或少數幾個(gè)特定傳感器將系統從待機模式中喚醒時(shí)，優(yōu)先級規則(第一部分中討論的第4種方法)才起作用。對于其他大多數情況，任何傳感器被激活，系統都會(huì )被喚醒。一般來(lái)說(shuō)，能夠喚醒系統的按鈕數量越多，系統平均功耗就越大。

　　聯(lián)動(dòng)傳感器采樣技術(shù)可用于解決這一問(wèn)題，而且不會(huì )增加平均功耗。在系統待機模式下使用這種方法時(shí)， 所有可以喚醒系統的物理傳感器都被連接到一起，在設計中組成了一個(gè)單一的虛擬聯(lián)動(dòng)傳感器。只掃描聯(lián)動(dòng)傳感器所消耗時(shí)間比掃描所有傳感器所消耗的時(shí)間短;因此，電容式控制器可以更長(cháng)時(shí)間的處于睡眠模式，從而降低了平均功耗(詳細內容請參考本系列文章第一部分中的方法2)。

　　如果任何一個(gè)物理傳感器被觸摸，聯(lián)動(dòng)傳感器的電容就會(huì )增加，同時(shí)可檢測到這一觸摸事件。然而，當感應到聯(lián)動(dòng)傳感器有觸摸時(shí)，卻無(wú)法確定具體哪個(gè)按鈕在待機模式下被觸摸。

　　為了檢測到在待機模式下被觸摸的按鈕，電容式控制器此時(shí)應該被喚醒并進(jìn)入活動(dòng)模式。需要將物理傳感器從聯(lián)動(dòng)傳感器斷開(kāi)，并對其進(jìn)行逐個(gè)掃描以確認被觸摸的傳感器。

　　這種方式能夠將多個(gè)物理傳感器整合到單個(gè)虛擬聯(lián)動(dòng)傳感器中，利用聯(lián)動(dòng)傳感器來(lái)確保電容式控制器僅在檢測到觸控事件時(shí)才恢復到活動(dòng)模式，從而有助于優(yōu)化平均功耗。如果電容式控制器進(jìn)入活動(dòng)模式后，在一段時(shí)間內未在用戶(hù)界面面板上檢測到手指觸摸活動(dòng)，那么電容式控制器就會(huì )恢復到聯(lián)動(dòng)傳感器模式。

　　使用這種方式的系統平均電流消耗與使用優(yōu)先級規則喚醒方式的平均電流消耗量相當，但使用這種方式，系統在任何按鈕被觸摸時(shí)都能被喚醒。

　　可編程電容式控制器，例如賽普拉斯的CapSense和CapSensePLUS控制器有助于將多個(gè)傳感器動(dòng)態(tài)連接到一起，組成一個(gè)聯(lián)動(dòng)傳感器，可用于優(yōu)化平均功耗。

　　6. 使用接近傳感器將電容式控制器從待機模式中喚醒

　　這種方式與聯(lián)動(dòng)傳感器模式比較類(lèi)似，但使用的是電容式接近傳感器而不是虛擬聯(lián)動(dòng)傳感器。

　　電容式接近傳感器是PCB板上的一個(gè)銅質(zhì)線(xiàn)跡環(huán)或者是連接到電容式感應控制器的導線(xiàn)環(huán)。這種電容式接近傳感器在手接近但還沒(méi)有實(shí)際碰到傳感器時(shí)就可以檢測到手的存在。

       與以前討論的所有其他方法都不同，這種方法不需要任何物理接觸就能喚醒系統，而以前的方法都需要實(shí)際觸摸到傳感器才行。電容式接近傳感器被集成到用戶(hù)界面面板，這樣當用戶(hù)手部接近用戶(hù)界面面板時(shí)就可以喚醒系統。下圖1對這種方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單說(shuō)明�！　� 

　　在待機模式下只掃描接近傳感器，這樣能減少總體掃描時(shí)間，從而降低平均功耗。當用戶(hù)手部接近用戶(hù)界面面板時(shí)，接近傳感器就會(huì )檢測到手的存在并喚醒電容式控制器。一旦從待機模式喚醒，電容式控制器就會(huì )進(jìn)入活動(dòng)模式并掃描所有按鈕傳感器以便檢測是否有觸摸。

　　這種方法帶來(lái)的一個(gè)好處就是可以利用接近傳感器控制用戶(hù)界面面板上的背光照明。只要電容式控制器處于待機模式，背光燈就會(huì )關(guān)閉以表明設備處于非活動(dòng)狀態(tài)。一旦用戶(hù)的手部接近面板，并且接近傳感器檢測到這一動(dòng)作，背光燈就會(huì )打開(kāi)以輔助用戶(hù)準確觸摸按鈕。這樣還有助于降低終端系統的總功耗。該方法被稱(chēng)為喚醒方案。

　　7. 使用外部穩壓器關(guān)閉用戶(hù)界面單元的電源

　　這種方法與上面討論過(guò)的方法有很大不同。這種方式下，由主機控制器來(lái)控制系統的平均功耗。

　　由電池供電的應用(例如手機)需要在待機模式下實(shí)現極低的功耗。系統內可能還包括多個(gè)其他需要低功耗模式的單元，例如紅外線(xiàn)接收器和環(huán)境光傳感器。

　　在這些應用中，主機控制器負責控制一個(gè)外部穩壓器或電源管理集成電路(PMIC)，通過(guò)外部穩壓器或PMIC來(lái)控制和調整電容式控制器及其他設備的電源。下圖2給出了典型的實(shí)施方框圖�！　� 

　　主機控制器在待機模式下關(guān)閉電容式控制器及其他設備的電源，這樣可實(shí)現最低的待機模式功耗，并為電池供電的應用帶來(lái)更長(cháng)的電池使用壽命。

　　本系列文章的第二部分到此結束。其他用于優(yōu)化電容式感應設計平均功耗的方法，尤其是采用高級電容式控制器的方法將在下一部分中加以介紹。